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地球同步軌道衛(wèi)星信道模型分析及實現(xiàn)
2014年電子技術應用第8期
郭業(yè)才， 袁 濤， 周潤之， 張秀再
(南京信息工程大學 電子與信息工程學院, 江蘇 南京210044)
摘要： 為研究地球同步軌道衛(wèi)星信道的傳播特性，依據(jù)星地鏈路空間分布情況，研究了自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑及陰影對信道鏈路的影響；根據(jù)天氣狀況的“好”與“壞”，提出了地球同步軌道衛(wèi)星信道的Rice模型和Suzuki模型，并用兩狀態(tài)Markov巧妙地聯(lián)系在一個動態(tài)模型中，以反映天氣變化帶來的狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換；最后設計了信道模型的實現(xiàn)方法。仿真結(jié)果表明，所提模型仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)具有很好的一致性。
中圖分類號： TN927.23
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)08-0098-03
The analysis and implementation of geosynchronous orbit meteorological satellite
Guo Yecai， Yuan Tao， Zhou Runzhi， Zhang Xiuzai
College of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China
Abstract： In order to study the propagation characteristic of geosynchronous orbit satellite channel，the free space loss, ionospheric scintillation, atmospheric absorption, multipath and shadow effects were analyzed based on the spatial distribution of the satellite-earth link. The Rice and Suzuki model of the geosynchronous orbit satellite channel were proposed according to the good or bad weather condition. Then the two-state Markov model was introduced into satellite channel model. Finally, the satellite channel simulator was designed and simulated based on the proposed method. The results show that the data of proposed model has a good consistency of the measured one.
Key words : multipath effect; shadow effect; Markov model

　　衛(wèi)星信號傳播特性是衛(wèi)星通信技術中最基礎的研究之一[1]。通過數(shù)學方法建立衛(wèi)星信道模型可較準確地反映信道真實物理傳播特性[2-4]。本文以地球同步軌道衛(wèi)星和地面接收站之間鏈路為對象，先分析自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑及陰影對信道鏈路的影響，再根據(jù)天氣狀況的“好”與“壞”，建立衛(wèi)星信道Rice模型和Suzuki模型，視為兩狀態(tài)Markov鏈動態(tài)模型，以描述天氣狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并給出信道模型的實現(xiàn)方法。

1 地球同步軌道衛(wèi)星信道傳播特性

　　現(xiàn)分析星地鏈路中自由空間損耗、電離層閃爍、大氣吸收、多徑陰影效應的特性。

　　1.1 自由空間損耗

　　同步衛(wèi)星在36 785 km的高空中，由衛(wèi)星向地面接收站傳播的信號首先經(jīng)歷外層空間，外層空間含有密度很低的物質(zhì)。由于信號在自由空間經(jīng)歷的路徑很長，占總路徑的95%以上，因此對靜止衛(wèi)星通信鏈路而言，自由空間損耗Lf是最主要的損耗，其具體計算方法為:

　　{99I0~QSX3VV7{@CF_2~2RM.png

　　式中，R為傳輸距離，載波波長。因為衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計時，載波波長是確定的，所以自由空間損耗只與路徑長度有關。

　　1.2 電離層閃爍效應

　　衛(wèi)星信號經(jīng)過外層空間后，依次通過散逸層、熱層和中間層，這幾層物質(zhì)處于部分電離或完全電離的狀態(tài),能使無線電波改變傳播速度。其中，電離層閃爍[5]的影響比較明顯，它與季節(jié)、頻率、觀測點的幾何位置有很大關系,通常用幅度閃爍指數(shù)S4來定量描述這種閃爍效應，S4為每分鐘信號強度S的標準差與均值的比值，計算方法為:

　　U{6(6X1)NM(4LGF3GI0TYAW.png

　　式中，<·>為時間均值；S4為電離層閃爍的強度大小。

　　1.3 大氣吸收損耗

　　電波信號由上而下依次經(jīng)過平流層和對流層，它們集中了幾乎所有的大氣和水蒸氣，其中臭氧、氧氣和水蒸氣會對電波傳播造成損耗。大氣吸收損耗主要與電波的頻率、地面站天線波束仰角、地面站海拔高度及水蒸氣密度有關，且隨著頻率升高，損耗明顯增加，因此在通信線路設計時必須考慮大氣吸收損耗。主要是H2O和O2引起的大氣吸收損耗，即:

　　H0$L~39V1UF2XKHKMP{YK`X.png       

　　其中，下標L可分別代表水蒸氣或氧氣；`EZ$@J%51GC((VM)C1NS}9X.pngL為損耗系數(shù)；h為有效高度；L]A$JH`3R{R{BWI]}TSEETH.png為仰角。

　　1.4 多徑、陰影傳播效應

　　當終端所處地區(qū)為濃霧環(huán)境時，信號在傳播過程中由于霧的阻礙產(chǎn)生多徑效應，會造成信號傳播方向的改變及強度的變化，從而導致多徑衰落。接收信號的包絡服從Rayleigh分布[4]，幅度a1的概率分布函數(shù)為:

　　G[AN){3Y79AIRP4X6Y8}5EV.png

　　其中，%[B]VP3KKJ]F_XLL6ZNQMC2.jpg12為a1的功率；a1=a1(t)是時間t的函數(shù)。

　　與此同時，衛(wèi)星信號在傳播的過程中經(jīng)歷諸如云層、樹木環(huán)境時，信號會產(chǎn)生陰影衰落效應，這種效應存在于不理想傳播環(huán)境的整個路徑。這種陰影衰落信號包絡a2=a2(t)服從Lognormal分布，即:

　　W1G~W%(6]_(V3E69%DAV5OL.png

　　式中，}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png2和S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png2分別是a2的方差和均值。

2 同步軌道衛(wèi)星信道Markov模型

　　研究發(fā)現(xiàn)對流層以上各層影響衛(wèi)星信道的傳播損耗存在以下特點：外層空間的自由空間損耗僅是傳輸距離的函數(shù)，電離層閃爍和對流層的大氣吸收在某一確定時間和地點是確定值，所以星地鏈路概率統(tǒng)計模型可建模成多徑與陰影效應模型。

　　由第1節(jié)分析可知，同步軌道衛(wèi)星信道的多徑陰影效應與星地鏈路天氣狀況有直接關系，可按天氣狀況的“好”、“壞”分別建模。

　　2.1 “好”天氣下的Rice模型

　　當天氣狀況良好時，信號經(jīng)信道傳輸時沒有受到云層的阻礙，終端接收的信號包含多徑和直射分量，此時接收信號包絡a3=a3(t)服從Rice分布，即

　　R46JZA)%LHYB`YJO(@@F19H.png

　　式中，U0OF12G{G3T$JU][5{4[NPT.png表示直射信號幅度；}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png32為a3=a3(t)的功率；I0為第一類修正貝塞爾函數(shù)。當直射信號幅度減小時，Rice分布轉(zhuǎn)化為Rayleigh分布。

　　2.2 “壞”天氣下的Suzuki模型

　　當天氣狀況較差時，信號經(jīng)衛(wèi)星信道傳播時主要受到陰影效應和不存在直射信號的多徑效應影響，可以描述為Suzuki模型[3]，即:

　　)HS%I3Z}3ZKS6VYMU6V`JKL.png

　　式中，}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png4是Rayleigh中各高斯分量的標準差；S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png2和}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png2分別為服從Lognormal分布信號的均值和標準差。

　　2.3 同步軌道衛(wèi)星信道Markov模型

　　衛(wèi)星和接收終端是靜止的，接收環(huán)境也比較理想，但衛(wèi)星信道隨著天氣的變化、云朵的移動，會產(chǎn)生Rice模型(表示“好”狀態(tài))和Suzuki模型(表示“壞”狀態(tài))之間的相互轉(zhuǎn)換,這種轉(zhuǎn)換可用兩狀態(tài)Markov模型描述[6]，以較確切地反映衛(wèi)星信道的動態(tài)特性。Markov模型可以由狀態(tài)矩陣S和轉(zhuǎn)移矩陣P表示。狀態(tài)矩陣S為:

　　S=[sg,sb]     (8)

　　式中，sg表示“好”狀態(tài)的Rice模型，sb表示“壞”狀態(tài)的Suzuki模型。

　])%A13NL}1AL99G7T}JH2$K.png

　　式中，pgb表示由“好”狀態(tài)轉(zhuǎn)移到“壞”狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率，Pgg表示仍然保持“好”狀態(tài)的概率，Pbb和Pbg的物理意義依此類推。由于Markov鏈是非周期、不可約的，所以它的穩(wěn)態(tài)分布存在且等于狀態(tài)分布。在Markov鏈中，k次轉(zhuǎn)移之后的狀態(tài)Sk為:

　　Sk=SP k-1   (10)

　　式中，P k-1表示轉(zhuǎn)移矩陣的k次相乘。

3 同步軌道衛(wèi)星信道實現(xiàn)方法

　　信道模型是物理信道傳播特性的數(shù)學表示，只有用硬件或軟件實現(xiàn)才有意義。因此，需要研究衛(wèi)星信道模型的實現(xiàn)方法。

　　3.1 實高斯隨機過程實現(xiàn)方法

　　在介紹實現(xiàn)方法之前，首先說明實高斯隨機過程S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.pngi(t),i=1,2,3,4,5的產(chǎn)生方法，如圖1所示，S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.pngi(t)是由有限多個加權諧波疊加產(chǎn)生的第i個實高斯隨機過程。

001.jpg

　　圖1中ci,n為產(chǎn)生第i個實高斯隨機過程時第n次諧波的權值[6]，取值為:

　　3L]TJOHIAGFS7{EZAYJD`]Y.png

　　式中，}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png為功率；i,n和fi,n為產(chǎn)生第i個實高斯隨機過程時第n次諧波的初始相位和頻率[7-8]，取值為:

　　SN2@VH`47O~TD_T$6SCM}}R.png

　　3.2 信道模型的實現(xiàn)方法

　　“好”天氣狀態(tài)下，Rice信道表式為:

　　W6AK86H93VN_CF~R3[IKR6K.png

　　%VAFL~O42QQI6$IB(@X]J}C.png

002.jpg

　　3.3 Suzuki信道模型的實現(xiàn)方法

　　對按圖1所示方法產(chǎn)生的實高斯隨機過程S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png3(t)和S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png4(t)求和，再取模得瑞利分布Rayleigh信號包絡)970Z7C2GD%7F]DX@C0SSH7.png1(t)，如圖3所示。產(chǎn)生)970Z7C2GD%7F]DX@C0SSH7.png1(t)時，式(11)中}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png取}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png1。

003.jpg

　　由圖1所示方法產(chǎn)生的實高斯隨機過程S)P8KZ[6$2@4HN)SV%X)%SQ.png5(t)通過指數(shù)變換得Lognormal信號包絡M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png(t)，如圖4所示。產(chǎn)生M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png(t)時，式(11)中}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png取}6O9ODM0DKR08)[{63EQTR6.png3。

004.jpg

　　由Rayleigh信號包絡和對數(shù)正態(tài)分布信號包絡相乘可得到Suzuki信道模型信號包絡M2G}COO6W%G9J7PJ04S%[UT.png(t)，其表達式為:

　　42R@]GF}1[16K0WEF$PVR%5.png

　　X6KR]}M4P47DK]UACOW%RXR.jpg(t)的實現(xiàn)原理如圖5所示。

005.jpg

4 仿真與分析

　　為驗證所建信道模型的有效性,采用FY-2D衛(wèi)星廣州站的相關數(shù)據(jù)進行仿真。假定某一段時間內(nèi)，自由空間損耗、電離層閃爍[7]、大氣吸收及極化損耗等物理量是定值，只考慮對流層和平流層中的天氣變化，云的移動帶來的衛(wèi)星信道在“好”和“壞”狀態(tài)之間發(fā)生變化[7,9]。

006.jpg

　　圖6（因數(shù)值變化范圍較大，縱軸和橫軸標記是不均勻的）表明，外層空間中信號的衰落與傳輸路徑長度成線性關系，而散逸層、熱層和中間層出表現(xiàn)為波動。

007.jpg

　　圖7表明，地球同步軌道衛(wèi)星信道會隨著天氣變化、云的移動在“好”狀態(tài)和“壞”狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。

　　圖8和圖9是衛(wèi)星信道二階統(tǒng)計特性電平交叉率和平均衰落時間，它們反映衛(wèi)星信道的通信質(zhì)量[9]。通過兩圖可知，本文的衛(wèi)星信道模型可以較好地模擬天氣狀態(tài)變化對衛(wèi)星信道傳播特性的影響。

　　通過對衛(wèi)星信道建模、實現(xiàn)方法及仿真結(jié)果分析知：

　　(1)對同步軌道衛(wèi)星，可根據(jù)實際的天氣狀況，將衛(wèi)星和接收終端之間的物理信道建模為由Suzuki模型和Rice模型構成的兩狀態(tài)Markov模型，以描述“壞”天氣和“好”天氣狀態(tài)下的信道特性。

　　(2)兩狀態(tài)Markov模型較好地克服了單一狀態(tài)信道模型不能貼近實際信道特性的問題。

　　因此，研究同步軌道衛(wèi)星信道模型及其實現(xiàn)方法有著十分重要的意義。

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